2020.02.03 현대자동차그룹
자동차, 소재 혁신과 함께 효율적으로 진화하다
더 가볍고 안전하며 아름다운 자동차를 제작하기 위한 신소재 개발이 한창이다. 자동차에 적용된 다양한 신소재와 기술을 소개한다.
자동차는 이동수단에서 첨단기기로 변화하고 있다. 하지만 여전히 자동차 개발의 중심에는 신소재와 소재 관련 기술이 자리하고 있다. 더 빠르게, 더 안전하게, 더 아름답게 진화하기 위해 다양한 혁신 소재들을 투입하고 있는 것이다. 최근에는 조건이 더욱 까다로워지고 있다. 환경, 안전과 관련된 규제가 강화되고, 운전 재미와 경제성, 심미적인 측면 등 소비자들의 요구가 늘어나고 있기 때문이다. 그렇다면 최근 자동차에는 어떤 신소재가 쓰이고 있을까? 자동차에 적용된 다양한 신소재와 관련 기술들에 대해 알아보았다.
차체 경량화를 위한 초저비중 보디실러
많은 자동차 제조사는 차체의 무게를 줄이기 위해 많은 노력을 기울인다. 자동차 부품 중 가장 무거운 부위가 바로 차체이기 때문이다. 현대·기아차는 눈에 보이지 않는 곳까지 무게를 줄이기 위해 다양한 소재 기술을 투입하고 있다. 초저비중 실러(초경량 접착제)가 대표적이다. 실러는 차체 패널이 겹치는 부위에 밀봉과 방청(금속에 녹이 발생하는 것을 방지하는 작업)을 위한 접착제다. 보통 차량 1대당 약 8kg의 실러가 도포되며 길이로 따지면 170m에 달한다. 전체적으로 보면 새로운 소재로 무게를 덜어낼 여지가 충분하다는 이야기다.
현대·기아차는 초경량 재료인 글래스 버블에서 착안한 초저비중 실러를 개발했다. 글래스 버블은 마치 유리 공처럼 안이 비어있어 가벼우면서도 크기가 매우 작은 미소구체(Microsphere)다. 뛰어난 경량 효과로 항공기나 건축물의 단열 충진재(소음, 진동, 충격을 줄여주는 소재)로 쓰인다. 현대·기아차는 글래스 버블을 실러에 적용해 기존의 실러 대비 무게를 37.5% 줄였다. 그 결과 차량 1대당 약 3kg의 무게 절감 효과를 얻은 것이다. 이처럼 현대·기아차는 차체와 부품의 경량화를 넘어, 도장 공정에서 쓰는 소재인 실러에서도 경량화를 추구하고 있다.
강성과 무게를 동시에 만족하는 초고강도 강판
자동차의 차체는 우리 몸의 뼈대와 같다. 자동차의 가장 기본적인 구조로서 차량에 전해지는 다양한 충격을 흡수하고, 사고로부터 탑승자를 보호하는 역할을 한다. 따라서 차체는 주로 강성이 뛰어난 강철로 제작된다. 하지만 강성에만 초점을 맞추면 중량이 늘어나기 쉽다. 차체가 무거우면 차량의 운동 성능과 효율이 떨어진다. 현대·기아차는 차체의 무게를 줄이기 위해 초고강도 강판을 활용한다. 현대자동차그룹이 사용하는 3세대 강판은 강성은 높이면서 무게는 줄이는 방향으로 개발됐다.
기존의 초고강도 강판은 강성은 뛰어나지만 성형에 한계가 있었다. 하지만 현대차그룹의 3세대 강판은 성형성이 기존대비 30% 이상 향상됐다. 덕분에 성형이 어려운 일체형 부품도 더 단단하고 가벼워졌다. 이 밖에도 현대·기아차는 알루미늄, 합성수지, 열가소성 복합재료 등 강철 이외의 소재로 차체 경량화를 실현하고 있다.
모터스포츠에서 주목받은 탄소 섬유 복합재
탄소 섬유 복합재(Carbon Fiber Reinforced Plastics, 이하 CFRP)는 카본 섬유를 활용한 고강도 경량 구조재다. CFRP의 특징은 강하고 견고하며 가볍다는 것이다. 강도는 철강의 6배, 비탄성률은 철강의 3배에 달하며, 무게는 철의 1/4 수준이다. 그러나 성형이 어렵다는 단점이 있다. 그래서 CFRP는 그간 소량 제작하는 레이스카의 차체나 부품의 소재로만 활용돼 왔다. 2019 WRC(세계랠리선수권대회)에서 제조사 부문 우승을 차지한 현대자동차 월드랠리팀의 i20 WRC 랠리카에도 CFRP 부품이 광범위하게 적용돼 있다. 이처럼 CFRP는 극한의 모터스포츠 환경에서 그 성능을 검증한 첨단 소재라 할 수 있다.
최근 현대·기아차는 CFRP의 적용 범위를 레이스카에서 양산차로 확대하고 있다. 최근 출시된 ‘N 퍼포먼스 파츠’는 CFRP 소재의 다양한 커스터마이징 튜닝 파츠로 구성되어 있다. 카본 프론트 립, 카본 리어 디퓨져, 카본 리어 스포일러, 카본 사이드 미러 커버 등이 모두 CFRP 소재를 활용해 무게를 줄인 부품이다. 이 밖에도 기아차 스팅어, 제네시스 G70 등에도 CFRP를 활용한 리얼 카본 인테리어 트림이 들어간다.
뛰어난 방수와 방오 기능을 품은 알칸타라
알칸타라는 동물성 가죽인 스웨이드의 대체물로 발명한 합성 섬유 중 하나다. 스웨이드의 부드럽고 고급스러운 느낌을 갖고 있어, 고급차의 인테리어 트림에 많이 활용된다. 알칸타라는 머리카락 1/400 굵기의 초극세사 섬유로 제작된다. 표면에 매끄러운 질감을 제공하고 무게도 매우 가볍다. 또한 천연 스웨이드보다 내구성이 뛰어나고, 우수한 방오 및 방수 기능을 갖고 있다. 이러한 장점 덕분에 알칸타라는 자동차의 스티어링 휠, 대시보드, 기어노브, 도어 트림 등 고급스럽고 스포티한 분위기를 내는 소재로 주목받고 있다.
현대·기아차 역시 알칸타라를 활용한 인테리어를 선보이고 있다. 기아차 스팅어는 알칸타라를 기본화한 알칸타라 에디션을 출시한 바 있다. 스팅어 알칸타라 에디션은 스티어링 휠, 기어노브, 콘솔 암레스트 등 운전자의 손길이 자주 닿는 곳에 알칸타라를 적용했다. 또한 현대차 N 퍼포먼스 파츠 역시 스티어링 휠, 파킹레버, 센터콘솔, 기어부츠에 알칸타라를 적용한 인테리어 패키지를 제공하고 있다.
언제나 투명한 상태를 유지한다. 신소재 램프 커버
자동차의 눈이라 불리는 헤드램프. 헤드램프는 야간 주행에 꼭 필요한 자동차 부품 중 하나다. 야간에 밝은 시계를 제공하기 위해선 광원과 연관된 기술도 중요하지만, 헤드램프 내부를 얼마나 깨끗하게 유지하는지도 중요하다. 현대·기아차는 신소재를 활용해 헤드램프 내부를 투명하게 유지하는 헤드램프를 적용했다.
기존의 헤드램프는 커버 안쪽이 뿌옇게 착색되는 문제가 있었다. 헤드램프 내부 온도가 200도 이상 오르면서 플라스틱에서 가스가 새어 나와 오염되는 문제였다. 기아차 K9은 신소재로 제작한 헤드램프를 적용해 이를 해결했다. 기존 플라스틱 소재에 유리섬유와 고분자량 첨가제를 더해 내열성을 확보한 덕분에 가스가 발생하지 않는다. 또한 플라스틱의 두께를 줄여 무게도 덜어냈다.
미래에는 어떤 소재가 주목받을까?
앞서 살펴본 사례처럼 첨단 소재는 자동차의 효율, 성능, 안전을 높이는 목적으로 발전했다. 미래 모빌리티 시대를 앞두고 있는 지금, 신소재와 관련 기술의 중요성은 점점 더 높아지고 있다. 안전과 효율에 대한 요구가 나날이 까다로워지고 있기 때문이다.
또한 미래 모빌리티는 단순한 이동수단이 아닌, 이동하는 생활공간으로서 다양한 기능성을 추구하게 될 것이다. 이동에 대한 개념이 송두리째 바뀌는 만큼, 그에 걸맞은 첨단 소재가 요구되고 있다. 신소재와 관련 기술의 발전에 자동차 산업의 변화가 달려있다는 말이 과언이 아닌 이유가 바로 이 때문이다.